近日，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院朱嘉教授課題組在高效界面光熱-蒸汽轉(zhuǎn)換上取得最新進展。該工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》為題發(fā)表在Cell press旗下期刊Joule上。課題組博士研究生李秀強與碩士研究生李金磊為該論文的共同第一作者，朱嘉教授為論文的通訊作者，該工作得到了阿聯(lián)酋哈利法科技大學張鐵軍教授課題組的幫助和支持，同時也得到了南京大學祝世寧院士的指導和支持。
界面光熱轉(zhuǎn)換作為新興太陽能技術因其高轉(zhuǎn)換效率及在海水淡化、水處理等諸多領域的應用前景，引起學界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。過去一段時間的發(fā)展，諸多工作聚焦于通過材料結(jié)構設計、光學調(diào)控、熱學管理以及水通道的設計來提高光-蒸汽的轉(zhuǎn)化效率。然而業(yè)界通常認為因為吸收體向環(huán)境的能量耗散（包括光學與熱學損耗）不可避免，因此最大的蒸發(fā)量會受限于太陽能功率密度而存在上限（按照標準太陽能譜計算，~1.47L/m2/h），光-蒸汽產(chǎn)生的凈蒸發(fā)量會趨近但無法超過這一上限。
圖1. 傳統(tǒng)界面光蒸汽轉(zhuǎn)化 (A) 與環(huán)境能量增強的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化（B）對比示意圖
針對這一問題，朱嘉教授團隊提出了新的材料結(jié)構設計思路，可以使環(huán)境從能源耗散方變成能源的供給方；吸收體從環(huán)境有凈能量輸入，從而有效增強蒸發(fā)，打破傳統(tǒng)認為的蒸發(fā)極限，即100%太陽能利用情況下的蒸發(fā)量。要實現(xiàn)這一環(huán)境能量增強的光-蒸汽產(chǎn)生，需要在宏觀尺度上設計了一系列不連續(xù)的柱狀蒸發(fā)體。這些不連續(xù)的蒸發(fā)體可為蒸汽逸散提供有效通道，增大蒸發(fā)體的有效蒸發(fā)面積，同時一維水通道的設計可有效降低熱損失。在微觀尺度上，利用具有多級連通孔結(jié)構的親水纖維素膜作為包覆層包覆在柱狀蒸發(fā)體外來進一步增大有效蒸發(fā)面積；同時利用具有高吸光系數(shù)的碳納米顆粒沉積在纖維素膜上作為吸收體來充分利用太陽能。通過精細結(jié)構調(diào)控，最終可實現(xiàn)在正常光照條件下，吸收體的平均溫度低于環(huán)境溫度（如圖1）。在此情況下，環(huán)境能量可有效增強蒸發(fā)，使得蒸發(fā)量可以超過傳統(tǒng)認為極限，即100%太陽能利用下的蒸發(fā)量。
作為應用示例，該工作展示了這種環(huán)境能量增強光-蒸汽轉(zhuǎn)化裝置可大幅提升對工業(yè)污水（如含重金屬、染料分子的廢水）的處理能力。此工作不僅為突破傳統(tǒng)認知蒸發(fā)極限提出了一種新的思路和方式，同時為高效的太陽能光蒸汽技術的應用邁出堅實一步。
這一工作受到國家重點基礎研究計劃，國家自然科學基金委群體及面上項目，中央高；究蒲袠I(yè)務費專項基金，江蘇省優(yōu)勢學科等項目的支持。
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